半导体工业TEM样品制备方法的演变

文章来源：老千和他的朋友们

原文作者：孙千

透射电子显微镜（TEM）具有卓越的空间分辨率和高灵敏度的元素分析能力，可用于先进半导体技术中亚纳米尺寸器件特征的计量和材料表征。本文概述了适用于半导体行业的TEM的技术和样品制备方法，并讨论了基于聚焦离子束（FIB）的样品制备方法的优势和问题，以及控制这些问题的方法。

半导体TEM样品的制备方法

样品制备是TEM成功检测的关键环节。TEM样品有平面和横截面两种几何形状。样品制备方法与所需的分析类型有关。一般来说，样品由直径约为3毫米的圆盘或薄片组成。样品的关键要求是，在感兴趣的区域或失效部位，样品的厚度应小于250nm，以达到合理的电子透明度。相位衬度的高分辨率成像需要更薄的样品（小于100 nm）。
过去有许多技术被用于制备TEM横截面和平面的样品，其中最常见的是传统机械抛光和氩离子研磨，用于制备均匀的大型样品。传统的横截面TEM样品只有在试样内的感兴趣区 (ROI) 多次重复制备的情况下，才能应用于集成电路的分析，因此，很少用于失效分析。
目前，聚焦离子束工具（FIB）已成为制备选定区域横截面和平面TEM样品的主要工具。制备特定区域横截面样品有三种方法：机械抛光与FIB结合、异位抬出（lift-out）、原位抬出（in-situ lift-out）。下面将详细介绍常用的TEM样品制备程序。

一般区域的TEM样品制备

在半导体器件中，如果感兴趣的特征是重复的或缺陷密度较高，则可使用一般区域 TEM 技术进行失效分析。图1(a-c)显示了大面积横截面TEM制备的原理图。两片芯片（5毫米×5毫米）面对面永久粘合，中间是电路（感兴趣区域）。另外两片硅片粘在背面作为支撑。然后从两侧将叠层研磨至50微米厚。使用凹点研磨机将样品的中心进一步减薄至15 μm。如图1（b）所示，在试样上粘上一个直径为 3 毫米的开槽铜环（可以是镍或钼）。如图1（c）所示，最后使用氩离子束将试样减薄至0.25 μm以下。样品制备过程可以很容易地进行修改，将横截面抛光和凹陷步骤改为背面抛光和凹陷，以用于一般区域的平面分析。
图1 一般区域TEM样品制备技术示意图

选定区域的TEM样品制备

一般区域的样品制备技术很少用于半导体行业，因为引起失效的相关特征或缺陷通常仅限于芯片中的几个晶体管。将样品有选择性地减薄至小于0.25 μm，其中包含感兴趣的特征或失效位置，以实现电子透明，因此这称为选择区域的TEM 样品制备技术。
这一过程的难点在于如何在不破坏样品完整性的前提下有选择性地减薄感兴趣的区域。图2是FIB技术一般原理的示意图。在这种技术中，高能的聚焦镓离子用于刻蚀样品，留下电子透明的薄片用于 TEM 分析。基于FIB 的样品制备技术通常需要复杂的前期步骤，然后才能对样品进行最终的FIB薄化处理。初步步骤通常包括研磨或精密锯切，使样品厚度在20-75 μm范围内，然后粘在一个支撑环上，以便于处理研磨好的样品。根据样品的几何形状（即横截面还是平面），程序也有所不同。
图2 特定区域TEM样品制备的FIB铣削技术的示意图
3.1 横截面样品制备
目标是制作出一个覆盖失效位置的装置的薄截面，小于0.25 μm。当缺陷的横向位置精确已知并发生在多层中时，该技术就非常有用。图3显示了FIB样品制备预过程的示意图。在此过程中，使用激光或FIB对感兴趣的区域进行永久标记。沿着与最终横截面平行的方向对样品进行研磨或锯切，厚度为20-75μm。在研磨或锯切过程中，通常使用丙酮溶性热塑料胶水将样品粘在玻璃载玻片上，以便于操作。将样品从玻璃载玻片上取下，装入FIB并减薄。为便于操作，可在样品上永久粘上一个开槽的二分之一薄环（直径 3 毫米，厚度 50 微米）。
图3 特定区域横截面TEM样品制备预过程示意图
3.2 平面样品制备
对于仅限于硅或器件表面某些层的失效分析问题，平面 TEM 样品制备程序比横截面方法具有独特的几何优势。在横截面方法中，器件的薄截面（厚度小于 0.25 μm）可用于失效分析，而在平面方法中，器件的任何层（厚度小于 0.25 μm）的 20 μm2 面积都可用于失效分析。因此，当缺陷的横向位置不确定时，如果缺陷仅限于厚度为250 nm 的层，就可以使用平面方法。这类缺陷的例子包括硅-器件界面的位错、栅极氧化物缺陷和界面反应。关于特定区域平面 TEM 样品制备程序的详情，早前已有报道。
TEM 平面分析的主要目标是能够分析失效部位的任何器件层。这就要求对相关层进行精确对准，使其与离子束平行。任何不对齐都会放大因设备不同组件的不同铣削速率而产生的 "瀑布效应"（waterfall effect）。在现实中，并非总能实现完美对齐。

Lift-out抬出法

上述FIB预减薄程序通常既耗时又昂贵，一种被称为"lift-out"的新技术省去了特定区域TEM样品的所有 FIB 中样品制备准备工作。在这种技术中，使用FIB切割感兴趣区域的薄片，从中取出加工好的TEM样品。然后将薄片转移到直径为3毫米、涂有孔状碳的铜网上。
Lift-out程序的优点包括缩短了样品制备时间，可以对集成电路的大多数元件进行特定区域TEM样品制备，几乎没有几何或尺寸限制。在失效分析中，Lift-out技术所提供的几何和尺寸灵活性为使用 TEM 解决复杂问题提供了新方法。提升技术的新颖应用实例包括小颗粒、背薄和背面蚀刻电路、芯片上的多个位置、部分去加工芯片、分层和暴露缺陷的 TEM 样品。
图4 用于特定区域横截面 TEM 的"抬出"样品制备技术。在感兴趣区域的两侧进行两个阶梯式切割。通过切割切片周围和下方的区域，将样品从模具中分离出来。(a) 从上往下看铣削几何图形。(b) 铣削几何形状和样品切割过程的横截面图。在相关区域的两侧进行两个阶梯式切割。通过切割切片下的区域，将样品从模具中分离出来。
图5 FIB切割孔内的加工好的TEM样品，SEM图像
Lift-out过程中最困难的部分是将完成的TEM样品从模具转移到铜网上。常用的方法是使用玻璃针将样品从模具中取出，玻璃针尖的"静电荷"起到胶水的作用。然后将样品转移到铜网上。Lift-out技术并不受欢迎，因为在此过程中很容易丢失样品。通过优化影响移出过程的因素，很容易将转移成功率提高到 100%。

图6 碳膜铜网上TEM“Lift-out”样品的光学图像
Lift-out操作在放大倍数至少为200倍的光学显微镜下进行。针通常连接在探针操纵器上。 影响移出过程的各种参数包括针尖的静电荷、TEM 样品的重量与静电荷的关系以及移针器的精度。静电荷与室内湿度、针尖直径以及样品和玻璃针的成分有关。如果静电强度过大，样品就会有爬上针头的趋势，从而无法转移到TEM 铜网上。如果静电强度太弱，样品就不会粘在针上。必须确定一个最佳的静电强度，才能成功地取出和转移样品。针尖的静电强度可通过在针上涂一层涂层和根据样品重量优化针尖直径来控制。
如上所述，移出技术仅限于在FIB中进行一次薄化操作。一旦切片从模具中取出并放入铜网中，就不可能再进行其他减薄操作。通过在FIB中安装探针或机械手，可以逐步监控 TEM 样品制备从开始到结束的过程，从而克服了抬出技术的这一限制。这种技术被称为原位抬出法（In-situ lift-out），与其他取出法相比，它的优点是样品可返回 FIB，并可在TEM 检测后进一步减薄。
使用原位抬出技术制备样品与传统的抬出技术类似，唯一不同的是在FIB中原位抬出薄片，并在FIB中使用铂沉积将其附着在TEM铜网上。现在普遍使用FIB的原位抬出技术制备TEM样品。

FIB减薄的假象

离子对样品表面的影响不仅铣削材料，还会形成损伤层。5 keV-50 keV 镓离子束造成的预期损伤包括镓离子注入、晶体结构非晶化、成分混合和精细结构细节丢失。实验证实，这些损伤类型在样品表面以薄层的形式存在。损伤层的厚度取决于入射角度和离子能量。据观察，用 30 keV 的FIB 铣削制备的 TEM 样品两侧可产生 40 nm 的损伤层。另一方面，如果在30 keV 下对样品进行整体切割，然后在10 keV下进行最终减薄，则可将损伤层减至18 nm，而在5 keV 下进行最终减薄则可将损伤层减至10 nm 。下文介绍了 TEM 样品制备过程中产生的 FIB 假象及其控制方法。
5.1 顶部表面的离子损伤
为防止顶面损伤和 "帷幕效应curtain effect"，在开始任何铣削之前，使用FIB仪器在所需区域沉积一薄层铂或其他金属，以形成平面，并减少样品顶面的圆角。金属平滑可能导致铣削不均匀的样品形貌，并形成一个牺牲层。顶面损坏通常是由于铂离子在沉积步骤的早期注入造成的。在减薄的最后阶段，离子束会移除部分牺牲金属，而不是影响其下方的样品。如果没有牺牲层，用于铣削的镓离子会对表面造成更大的破坏。
如果不小心用离子束扫描薄片时与表面平行的角度超过几度，或者用离子束对薄片进行成像，就会造成表面损伤。这种表面损伤会导致样品表面蜕变，阻碍高分辨率成像。
在极端情况下，长时间暴露在与薄片表面轴线不平行的离子束中会导致异常缺陷或伪影。当试样倾斜角度与垂直位置成 ±2 °时，试样不会发生非晶化或相变。
从另一个角度看，样品顶部的损坏可能重要，也可能不重要，这取决于特征的深度和感兴趣的区域。通常情况下，感兴趣的区域远离顶面30至60纳米的层。但如果感兴趣的区域靠近表面，即使是铂保护层的沉积也会产生不可接受的伪影。低能铂沉积（5 keV）可能有助于减少损伤。在这种情况下，最好先在电子束模式下沉积一薄层铂，以便在随后使用高能量离子束沉积较厚的金属层时保护样品。另外，在将样品装入FIB系统之前，也可以在样品表面沉积一薄层金或碳。在随后的离子束诱导沉积过程中，这一层将保护样品。
另一个常见问题是无定形层的再沉积，如果对靠近薄片的区域进行铣削，就会出现这种情况。要避免这一问题，可避免在薄区暴露后对附近区域进行任何铣削，或进行清理铣削。此外，FIB 铣削制备的样品呈楔形，即上薄下厚。在最后阶段，使用低束流，以适当的阶段倾斜度结合正面和背面铣削，可实现样品厚度的均匀性。
5.2 侧壁损伤
样品的侧壁也会受损。由于离子束以较低的掠过角撞击样品，因此侧壁的损坏比顶部的要小，但侧壁的损坏会影响整个样品。在进行最后的减薄和清洁操作后，不用离子束直接成像模式检查样品，可以减少侧壁损坏。建议使用电子束模式检测最终样品，以抑制此类损坏。
在减薄TEM横截面试样的过程中，将达到稳态溅射条件，其中镓注入的速率与镓溅射的速率相平衡。Ishita等人模拟了稳态溅射过程中的离子滞留，并报告了他们的模型与实验结果之间的良好相关性。他们使用EDX分析来确定横截面中的镓浓度。假设注入的镓在侧壁的前10纳米内，他们确定硅层和钨层中的镓浓度由于使用30 keV 离子束而变薄，分别约为这些层的4%和9%。
Langford等人研究了不同离子束铣削条件对硅横截面试样中注入稳态镓浓度的影响。他们报告说，使用5kv离子束铣制的硅横截面试样的镓含量比使用30Kv离子束铣制的试样的降低2.5倍，而使用碘气辅助蚀刻（GAE）和30Kv和5Kv离子束铣制的试样的镓含量分别比使用30Kv离子束铣制的试样降低2.7倍和3倍。
许多学者研究了横截面试样侧壁的损伤深度。据报道，在离子能量为30 keV、5 keV和2 keV 时，硅侧壁非晶层形成的减少量分别为22 nm、2.5 nm和0.5-1.5 nm。Kato 等人研究了使用30 keV 镓束对晶体硅进行铣削所造成的损伤深度，结果表明非晶层为20 nm，在100 pA-500 pA 范围内，厚度与束流无关。
Walker 等人利用衍射分析法测得，在30 keV 的镓束中，砷化镓的非晶化损伤小于8 nm。为了减小损坏层的厚度，人们进行了大量研究，包括降低入射离子束的能量、使用宽离子束 (BIB) 铣削"清洁"FIB 制备的横截面试样或者气体辅助离子刻蚀（Gas-assisted etching，GAE）。
在当前的商用FIB系统中，离子光学系统经过优化，可在20-30kV的电压下工作。如果FIB的入射能量降低到几 keV，成像分辨率就会因离子束斑尺寸增大和信噪比降低而降低。因此，很难使用浅入射角铣削截面。Kato等人报告说，对于倾斜角度为10°并使用 5 keV FIB 铣削的硅横截面，侧壁非晶层的厚度为 10 nm。
GAE包括将研磨区域同时暴露在反应气体中。这可以提高蚀刻速率，减少材料的再沉积，减少晶体缺陷的数量，并降低样品中的镓含量。据报道，使用碘可将金属的溅射率提高10倍，使用二氟化氙可将绝缘体的溅射率提高5倍。Sugimoto 等人使用氯GAE 减少了 GaAs 样品的损坏，Yamaguchi等人使用碘 GAE改善了用于HREM 的InP 横截面试样。Yamaguchi等人报告说，使用 GAE 后，损伤层厚度从31 nm 减小到 2-5 nm，并防止了一些可能形成的 FIB 伪影，如出现微晶体。
Kato等人和Langford等人研究了对 FIB 制备的硅TEM横截面试样进行 BIB 铣削的效果。与FIB系统相比，BIB铣削的优点是入射能量更低，铣削角度更小。Kato 等人报告说，使用4 keV的离子束在4°下对FIB制备的硅横截面进行 BIB 铣削，结果在侧壁造成 8 nm 的损坏。
Langford等人概述了一种方法，该方法可对使用抬出技术制备的横截面试样的两侧进行BIB铣削。该技术包括铣削横截面试样的一面，然后使用针和微型机械手将其翻转过来，以便铣削第二面。他们报告了铜和硅支撑铜网的使用情况。BIB 铣削FIB制备的横截面除了可以减少侧壁损伤层的厚度外，另一个优点是铣削速度较慢，可以更好地控制横截面试样的最终厚度。
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